自1960發(fā)射第一顆實驗氣象衛(wèi)星Tiros-1和1972年發(fā)射第一顆民用陸地觀測衛(wèi)星Landsat-1以來,，經(jīng)過60多年的發(fā)展，衛(wèi)星遙感已被證明是最有效的觀測/測量地球表面的技術(shù)手段之一,。全球的民商遙感衛(wèi)星欣欣向榮,，衛(wèi)星遙感是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，2023年國內(nèi)上半年就發(fā)射了超過100顆遙感衛(wèi)星,，很多人歡喜商業(yè)遙感進(jìn)入了繁榮期,，有人則表示了擔(dān)憂，說現(xiàn)在是“大放遙感衛(wèi)星”。商業(yè)遙感衛(wèi)星多嗎,？看從什么角度看問題,，從盈利角度看似乎擔(dān)憂是合理的,，市場空間還未打開但競爭激烈,；從用戶使用角度看,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，用戶的需求并沒有得到有效滿足,；或者我們換個角度看,，新上去的衛(wèi)星是否擴(kuò)展了現(xiàn)有遙感衛(wèi)星的能力邊界,，補(bǔ)強(qiáng)原有衛(wèi)星的數(shù)據(jù)采集能力,，提供新的有效解決問題的方案、技術(shù)和產(chǎn)品,，或者是降低了使用成本,？

衛(wèi)星遙感廣泛應(yīng)用于“農(nóng)林水土城環(huán)災(zāi)、科教氣通海測,、衛(wèi)統(tǒng)公安”各個領(lǐng)域,，而且不斷向新領(lǐng)域開拓。但是我想大家都碰到過,，有時候衛(wèi)星遙感被有意無意地過分吹噓到讓一些人感覺它是靈丹妙藥的地步,，這是不對的。衛(wèi)星遙感可以解決涉及地表監(jiān)測的任何問題嗎,？答案顯然是否定的,。衛(wèi)星遙感有其高大上的光環(huán)，也有實實在在的優(yōu)勢,，但是如同所有技術(shù)和產(chǎn)品一樣它也有弱點和能力邊界,。在衛(wèi)星遙感開疆拓土的初期，適當(dāng)吹噓和展望它的能力是可以理解的,，現(xiàn)在衛(wèi)星遙感在各行各業(yè)已進(jìn)入或即將進(jìn)入業(yè)務(wù)化應(yīng)用的階段(或成熟期),，清楚和明晰它的能力邊界很有必要。

衛(wèi)星遙感有它的局限性,，衛(wèi)星遙感的能力邊界在哪,？這個問題比較難完美地回答，但是這個問題值得思考,，能力邊界也需要盡可能明晰和量化,，不能界定邊界的能力，稱不上真正的能力,。清楚能力邊界才能游刃有余,，清楚現(xiàn)有的能力邊界才能找到問題所在，提供解決問題和創(chuàng)新的方向，去擴(kuò)展邊界和突破邊界,。

衛(wèi)星遙感有其明顯的優(yōu)勢，但如同一個硬幣的正反兩面,，它也是有局限的,。嚴(yán)格說來，對不同的衛(wèi)星傳感器和針對不同的應(yīng)用問題,，局限是不一樣的,。衛(wèi)星遙感的局限主要有4方面，當(dāng)然現(xiàn)在考慮或列入的局限隨著技術(shù)的發(fā)展也許會被突破,。

局限1：數(shù)據(jù)采集局限(或遙感數(shù)據(jù)特性局限),，衛(wèi)星平臺和傳感器的物理特性，使成像遙感數(shù)據(jù)存在空間分辨率,、光譜分辨率,、時間分辨率、輻射分辨率和天氣因素等限制,；數(shù)據(jù)采集的局限會影響到后續(xù)遙感信息提取和應(yīng)用,。

（1）夜間或惡劣的天氣，光學(xué)傳感器可能無法獲取有效數(shù)據(jù)或較大程度降低獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量(見圖1),，進(jìn)而影響后續(xù)的信息獲取和應(yīng)用,。

圖1 有云的天氣下光學(xué)和雷達(dá)圖像對比圖(來自Ursa Space)▼

（2）遙感數(shù)據(jù)的分辨率(空間、光譜,、時間和輻射)限制導(dǎo)致無法獲取小尺度或細(xì)微的特征及變化,。例如由于衛(wèi)星的軌道、傳感器的限制等因素,，當(dāng)前商業(yè)遙感衛(wèi)星空間分辨率還未突破15cm,，見圖2；遙感衛(wèi)星可以連續(xù)對地表進(jìn)行重復(fù)觀測,，但是“連續(xù)”一般是以天計,，大多數(shù)遙感衛(wèi)星在近地軌道，快速飛行中對地觀測成像是一瞬間(小于1秒),，不是像地面攝像頭這樣可以盯著一個目標(biāo)連續(xù)不斷的拍攝(地球同步軌道衛(wèi)星可以對一個目標(biāo)區(qū)域凝視成像,，但離地球太遠(yuǎn)，空間分辨率較低),，對于很多需求來說衛(wèi)星遙感的拍攝還是稀疏的,，時間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

圖2 2023年8月發(fā)布的當(dāng)前最高分辨率(16cm)商業(yè)遙感圖(來自Umbra)▼

（3）遙感數(shù)據(jù)的4個分辨率指標(biāo)無法兼得,，存在折衷取舍的限制,。同一個衛(wèi)星傳感器要在空間分辨率,、光譜分辨率、時間分辨率和輻射分辨率等等進(jìn)行取舍,，分辨率往往無法同時“雙”高或“多”高,。我們經(jīng)常看到民商光學(xué)衛(wèi)星有一個高空間分辨率的全色相機(jī)(低光譜分辨率)和一個高光譜分辨率的多光譜相機(jī)(低空間分辨率),，而不是只帶一個既高空間分辨率又高光譜分辨率的相機(jī)(做不到雙高),，雖然通過后期的地面全色和多光譜數(shù)據(jù)的融合處理得到既高空間分辨率又高光譜分辨率的數(shù)據(jù)，但是這樣的融合數(shù)據(jù)還是會給遙感定量反演和分析帶來限制,。同樣高空間分辨率和高時間分辨率也無法兼得(見圖3),，現(xiàn)在普遍采用多顆衛(wèi)星組成星座的方式來提高時間分辨率。

圖3 不同民商遙感衛(wèi)星空間分辨率和時間分辨率對比(來自The Sage Handbook of Remote Sensing)▼

（4）遙感數(shù)據(jù)一般獲取的是一瞬間淺層的地球表面信息,，較難深入地表或獲取表面之下的體信息,。由于衛(wèi)星遙感采取的電磁波探測手段，電磁波難以穿透地表,，雖然較長的雷達(dá)波可以在一定程度獲取地表之下的信息,，干涉雷達(dá)可以感知地表下的形變(見圖4)，但是較為有限,；光學(xué)傳感器對水體的探測也類似，藍(lán)光波段對水體有一定的穿透能力,，但是難以較為全面有效地獲取水體表面之下的信息,，例如想要通過衛(wèi)星遙感直接獲取水面以下的溫度就不可行。

圖4 基于哨兵雷達(dá)圖像的滑坡形變監(jiān)測圖(來自ESA)▼

（5）遙感衛(wèi)星數(shù)量“看起來多,，用起來少”,，不同運(yùn)營商的民商衛(wèi)星難以統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、協(xié)同觀測,，面對具體的應(yīng)用需求在空間觀測覆蓋和時頻上達(dá)不到要求,。

局限2：數(shù)據(jù)處理的局限，相當(dāng)多的遙感衛(wèi)星運(yùn)營商并不提供分析就緒數(shù)據(jù),，用戶自己處理數(shù)據(jù)引入不同程度的幾何和輻射誤差,；多源數(shù)據(jù)難以在數(shù)據(jù)層進(jìn)行融合形成產(chǎn)品。

（1）標(biāo)準(zhǔn)化的,、經(jīng)過高精度幾何和輻射處理的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是信息提取所需要的,，當(dāng)前只有為數(shù)不多遙感衛(wèi)星運(yùn)營商提供分析就緒數(shù)據(jù)，用戶自行處理需要復(fù)雜的算法和技術(shù),，會引入一定的數(shù)據(jù)處理誤差,，影響后續(xù)的信息提取和增加成本，而且也不利于大數(shù)據(jù)分析和時序數(shù)據(jù)分析,。

圖5 Maxar公司的亞米光學(xué)圖像分析就緒數(shù)據(jù)示意圖(來自Maxar)▼

（2）光學(xué),、雷達(dá)、紅外、夜光等多源數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)層面融合還存在困難,，無法融合成一套統(tǒng)一的數(shù)據(jù)使用,。

局限3：信息提取的局限(或遙感數(shù)據(jù)解譯/反演的局限)，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用依賴于對遙感數(shù)據(jù)的“解讀”,，特別是把其轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)能讀懂的信息,。

（1）從遙感數(shù)據(jù)自動化和智能化提取的遙感信息，理論和工程實現(xiàn)有相當(dāng)?shù)男畔⒛壳斑€達(dá)不到業(yè)務(wù)應(yīng)用需要的精度,，不是足夠可靠,。把遙感數(shù)據(jù)自動化轉(zhuǎn)化為信息依賴于建模，不管是基于機(jī)理的物理建模,、統(tǒng)計建模(機(jī)器學(xué)習(xí))還是混合模型,，對于應(yīng)用需要的信息，建模提取還有局限,，很多信息還未達(dá)到業(yè)務(wù)應(yīng)用需要的精度,，還需要人工校對和修正。此外,，不是所有信息都可以從遙感數(shù)據(jù)中獲取,，有些信息根本無法通過衛(wèi)星遙感獲取或者僅作為輔助手段獲取。圖6顯示的是遙感圖像的目標(biāo)檢測,，當(dāng)前AI+遙感自動提取人工目標(biāo)的速度快,、檢測精度高、穩(wěn)健性好,。

圖6 遙感圖像的飛機(jī)目標(biāo)檢測(來自Blacksky)▼

（2）受限于數(shù)據(jù)獲取和陸地表面的空間異質(zhì)性,，遙感信息的時空精度很多時候難以保持一致性(會有較大差異)。為了保證空間覆蓋的完整性和一定的時間頻率,，信息提取所用到的數(shù)據(jù)源往往是不統(tǒng)一的,，很多時候需要用到多源的傳感器，即使是同一個傳感器,，受天氣等因素影響,，采集的圖像質(zhì)量參差不齊，會影響到最終的信息提取的結(jié)果精度不一致,；另外地表要素由于地理空間的異質(zhì)性,，復(fù)雜地表的信息提取精度往往低于均一地表，包括地形起伏等因素也會影響不同區(qū)域的遙感信息精度,。

局限4：成本的局限,，遙感的經(jīng)濟(jì)性對其應(yīng)用有限制，對于范圍較小衛(wèi)星遙感應(yīng)用,，數(shù)據(jù)采購,、信息提取和應(yīng)用的綜合成本一般來說較高,。衛(wèi)星遙感對于全球、國家級和省域級別的應(yīng)用相對于傳統(tǒng)的地面調(diào)查成本明顯要少,，但是對于小范圍應(yīng)用,，其成本不一定低于無人機(jī)遙感、地面測量等其它技術(shù)手段,。當(dāng)前蓬勃發(fā)展的商業(yè)遙感衛(wèi)星可預(yù)期會降低數(shù)據(jù)成本,。

以上提到的局限不是一成不變的，理論上的局限和工程實現(xiàn)上的局限也有較大差異,，但是明確當(dāng)前的局限可以知道哪些應(yīng)用不適合使用衛(wèi)星遙感或只能起到輔助作用,。

衛(wèi)星遙感的能力邊界是指其在某個特定領(lǐng)域或任務(wù)中所能夠達(dá)到的最大能力或水平,。為了爭取更多的經(jīng)費和更多的市場客戶,，當(dāng)前或多或少是夸大了衛(wèi)星遙感的能力，讓用戶對衛(wèi)星遙感有過高的期待,。衛(wèi)星遙感能力邊界的量化涉及內(nèi)容較多,，具體問題也需要具體分析。

當(dāng)能以一系列量化指標(biāo)比較清楚的界定衛(wèi)星遙感的能力邊界和時候,，衛(wèi)星遙感行業(yè)可能就真正成熟了,。衛(wèi)星遙感的技術(shù)能力、產(chǎn)品能力需要明確的技術(shù)指標(biāo),，標(biāo)準(zhǔn)化的,、業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的指標(biāo)有利于技術(shù)競爭和遙感的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。衛(wèi)星遙感的能力最終是以數(shù)據(jù)和信息產(chǎn)品/服務(wù)的形式體現(xiàn),。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)的采集能力、服務(wù)時效性和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)基本上是明確的(見圖7),，國內(nèi)外也相對較為統(tǒng)一,。例如衛(wèi)星圖像產(chǎn)品的絕對定位精度，普遍接受了CE90的指標(biāo)(見圖8),，而且這個指標(biāo)形象的界定了遙感圖像的地理定位能力,，可以與國防行業(yè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求指標(biāo)直接對應(yīng)上，并能比較產(chǎn)品優(yōu)劣,。

圖7 Worldview-3衛(wèi)星采集能力和圖像產(chǎn)品指標(biāo)介紹圖(來自Maxar)▼

圖8 WorldView-1基本和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的平面精度(CE90衡量)圖▼

遙感信息產(chǎn)品/服務(wù)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)化程度還不高,、技術(shù)指標(biāo)也不太統(tǒng)一，低空間分辨率遙感數(shù)據(jù)的信息產(chǎn)品相對而言比較成熟,，技術(shù)指標(biāo)和能力邊界是較為明確的,，例如MODIS的定量產(chǎn)品(見圖9)。

圖9 MODIS的產(chǎn)品列表圖(來自NASA)▼

高分辨率(米級和亞米級)遙感數(shù)據(jù)信息產(chǎn)品形態(tài)豐富,、種類繁多,，精度指標(biāo)不統(tǒng)一或缺失,，更多以解決方案或API接口服務(wù)的形式存在，有必要通過實驗,、模擬和分析驗證量化這些信息產(chǎn)品和服務(wù)的精度,、誤差范圍，量化其能力邊界,，提供盡可能標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù),。圖10是Planet公司提供的基于4.7米空間分辨率圖像的自動變化檢測產(chǎn)品，有置信度分?jǐn)?shù),；全球范圍的道路和建筑物變化檢測1個月提供1次,，該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(datasheet)中未提及精度指標(biāo)。

圖10 Planet公司的行星分析產(chǎn)品之一自動變化檢測(來自Planet)▼

清楚了當(dāng)前衛(wèi)星遙感的局限,，就能知道哪些應(yīng)用需求滿足不了，哪些任務(wù)需要換技術(shù)手段,；明確了衛(wèi)星遙感的能力邊界,，就能知道任務(wù)能完成到什么程度。單一的衛(wèi)星遙感傳感器獲取的只是目標(biāo)對象某一個方面的信息,，有其局限性,，多源傳感器組合可以一定程度上取長補(bǔ)短，優(yōu)勢互補(bǔ),。能力邊界是可以被擴(kuò)展的,，隨著時間的推移，技術(shù)的進(jìn)步,，必然有所變化,。

民商遙感衛(wèi)星一直在追求更高的分辨率，并在不斷進(jìn)步,，各種新型傳感器和探測方式也在持續(xù)發(fā)展,，衛(wèi)星遙感的局限和能力邊界一直在擴(kuò)展和突破。

這個話題年初就想寫,，寫了一部分又放下了,，寫寫停停，拖了大半年,，歡迎大家批評指正,，共同探討。